Измеритель проводимости земной поверхности Советский патент 1992 года по МПК G01V3/08 

1

(21)4860629/25 (22) 20.08.90 (46)30.12.92. Бюл. Мг 48 (72) В.П.Шевченко, Е.И.Брехов и А.В.Тарасов

(56) Кашпровский В.Е., Кузубов Ф.А. Распространение средних радиоволн земным лучом. М.; Связь, 1971. с.85-90.

Авторское свидетельство СССР № 140131. кл. G 01 V 3/08,1960.

Бобровников Л.З. и др. Электроразведочная аппаратура и оборудование. М.; Недра, 1985. с. 290-291.

(54) ИЗМЕРИТЕЛЬ ПРОВОДИМОСТИ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

(57) Использование: в области измерения электрических параметров земной поверхности по данным приема электромагнитного излучения диапазона очень низких-низких частот. Сущность изобретения: в измеритель введены дополнительные взаимно ортогональные антенны, два резонансных усилителя, четыре квадратора, масштабный усилитель, фазовращатель, сумматор, блок вычитания, регулируемый масштабный усилитель, электронно-лучевая трубка (ЭЛТ). Устройство также содержит две антенны для приема вертикальных компонент полей и два резонансных усилителя. Результат измерения проводимости фиксируется на экране ЭЛТ. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Ј

Изобретение относится к области радиоэлектроники, связанной с измерением проводимости земной поверхности на стке между излучателем очень низкочастотной или низкочастотной (ОНЧ-НЧ) волны и измерителем проводимости по результатам приема электромагнитной волны. Оно может быть использовано для геоэлектроразведки, а также в системах геофизических наблюдений, радиопеленгования и радионавигации в целях повышения их точности.

Известен измеритель проводимости земной поверхности, реализующий способ определения проводимости по наклону фронта волны, содержащий вращающуюся штыревую антенну и соединенный с ней измеритель амплитуды сигнала. По углу отклонения в антенны от вертикали в плоскости распространения волны, соответствующему максимальному показанию измерителя ам- плитуды. определяют проводимость а 8,3 -10

См/м, где А

-з 1

А - длина принимаемой волны.

Это устройство требует знания направления на излучатель и времени на разворот антенны, что не позволяет использовать его для измерений пб кратковременным излучениям естественного происхождения, например грозовых разрядов.

Другой измеритель содержит вертикальную штыревую и горизонтально рамочную антенны, соединенные с входами соответственно первого и. второго резонансных узкополосных усилителей, выходы которых подключены к первому и второму входам измерителя разности фаз.

Это измеритель не требует знания направления на излучатель и времени на разворот антенн, однако он позволяет лишь грубо оценить проводимость поверхности почвы, так как измеряемая разность фаз

VI

00 -N Ю Сл (Л

между вертикальными электрической Ег и магнитной Нг компонентами, выделяемыми антеннами, зависит не только от проводимости почвы, но и от случайных параметров излучателя.

Наиболее близким по технической сущности является измеритель наклона вектора естественного магнитного поля, содержащий каналы формирования опорного и из- сигналов, первый из которых состоит 1/13 последовательно соединенных вертикальной антенны, предварительного и избирательного усилителей и регулятора амплитуды, 3 второй - из последовательно соединенных горизонтальной рамочной антенны, предварительного и избирательного усилителей. Кроме того, в состав измер ителя входит вычитающее устройство, фазочувствительный детектор и стрелочный прибор, причём выходы кана- лов формирования подключены ко входам вычитающего устройства, выход вычитающего устройства и второй выход избирательного усилителя перво го к анала подключены к двум входам фазочувстви- тельного детектора, выход которого сбеди- нен со стрелочным прибором,

Недостатками этого измерителя являются низкая оперативность, так как в процессе измерений требуется настройка регулятора амплитуды, и малая точность, поскольку наклон вектора поля при неизвестном направлении на излучатель определяется в вертикальной плоскости, перпендикулярной к плоскости вертикаль- ной рамочной антенны, не совпадающей с плоскостью распространения волны.

Цель изобретения - повышение точно- сти и оперативности измерений.

На чертеже показана структурная схема измерителя.«

Измеритель содержит датчик 1 канала опорного сигнала, датчик 2 канала измеряемого сигнала, дополнительные датчики 3 и 4, резонансные усилители 5-8, фазовраща- тель 9, первый масштабный усилитель 10, квадраторы 11-14, сумматор 15, блок 16 вычитания, второй масштабный усилитель 17, индикатор 18 (электронно-лучевая трубка - ЭЛТ).

При этом выход фазовращателя 9 последовательно соединен с первым квадратором 13 и первым входом индикатора 18 (вертикальными отклоняющими пластинами ЭЛТ), выход первого масштабного усили- теля 10 последовател ьно соединен с вторым квадратором 14 и первым входом блока 16 вычитания, каждый из дополнительных датчиков 3 и 4 последовательно соединен со своим резонансным усилителем 7 и 8 соответственно и квадратором 11 и 12 соответственно, выходы квадраторов 11 и 12 соединены двумя входами сумматора 15, выход которого последовательно через второй регулируемый масштабный усилитель 17 подсоединен ко второму входу индикатора 18 (горизонтальным отклоняющим пластинам ЭЛТ).

В качестве дополнительных датчиков 3. 4 использованы взаимно ортогональные горизонтальные штыревые антенны, в качестве датчика 1 канала опорного сигнала использована вертикальная штыревая антенна, в качестве датчика 2 канала измеряемого сигнала применена горизонтальная рамочная антенна.

Если дополнительные датчики 3, 4 выполнены в виде вертикальных взаимно ортогональных рамочных антенн, то датчиком 1 должна служить горизонтальная рамочная антенна, а датчиком 2 - вертикальная штыревая антенна.

Измеритель работает следующим образом. Приемные датчики 1-4 выделяют сигналы вертикальной электрической Ёг вертикальной магнитной Нг и две взаимно ортогональнУе произвольно направленные в горизонтальной плоскости электрические компоненты Ех и Ёу. Сигналы компонент узкополосно усиливаются в резонансных усилителях 5-8 с регулируемой, но одинаковой для всех усилителей частотой настройки. Сигнал компоненты Ёг далее сдвигается по фазе на угол 45° в фазовращателе 9, квадратично усиливается в квадраторе 13 и поступает на вертикальные отклоняющие пластины ЭЛТ 18. Сигналы компонент Ех и Еу, выделенные дополнительными датчиками 3, 4, усиливаются в резонансных усилителях 7, 8, квадратично усиливаются в квадраторах 11. 12 и суммируются в сумматоре 15. Сигнал вертикальной магнитной компоненты Нг, выделенный датчиком 2 канала формирования измеряемого сигнала, после резонансного усиления в усилителе 6 масштабно усиливается с коэффициентом 120 лг в масштабном усилителе 10 и квадратично усиливается квадратором 14. Из полученного сигнала в блоке 16 вычитания выч йтается сигнал сумматора 15. Сигнал разности масштабно усиливается во втором регулируемом масштабном усилителе 17 и поступает на горизонтальные отклоняющие пластины ЭЛТ индикатора 18. Для обеспечения удобства отсчета (растяжки шкалы) коэффициент усиления усилителя 17 рекомендуется выбирать равным 60 А . 600 А . 6000 А в зависимости от диапазона изменения измеряемых проводимостей почвы

0,1 .10 См/м: 0,01...1 См/м. 0,001..,0.1

См/м.,

При таком построении измерителя ко- ЕГт ,,.,

тангенс угла отклонения радиального штри- 60А Егт2

ха на экране индикатора 18 относительно 5д

вертикали пропорционален проводимости Покажем, что отношение земной поверхности. Покажем это.

Известно, что в диапазонах ОНЧ-НЧЈ /gg д Ј2 /у

компоненты полей в точке приема связаныrm m .

между собой: 10может быть оценено по углу отклонения линии,образуемой на экране ЭЛТ при подаче

Ё0 -Ег.. ( ())на отклоняющие пластины ЭЛТ напряже™ -. , -ний UB(t), U,{t)p пропорциональных1

Ё )15 Ue(t)(t)Errn2.cos2( ut+yEr + 45°);

л п-,л.,,,, LMt)60 А Е/ , (t) - 60Я Ez m cosx

Н0- VЈHr,(3)х((01+уЕв)

Н, .ЁГ((4)2о. (я

где Е,.Н, - 1-я компонента электрическогогде tfr2(t)-сигнал вертикальной компоненты или магнитного поля в сферической системе

координат (г. ) с началом, расположен-Er(t)Erm.cos{ wt+yEf) ReEr

ным в центре Земли, и полярной осью, проходящей через излучатель: 25й по фазе на л 45о возведен.

Ег.Нг - вертикальные компоненты -по-ный вУквадрат.Ф

леи д Л60 А Е f (t) - сигнал продольной комЕ0, Н - продольные горизонтальные поненты G компоненты полей, совпадающие с направлением распространения волны;30м ,..

Ё, ; поперечные горизонтальныеЕ(t) ReE« E m . cos ( +yEe),

юненты полей, перпендикулярные на(лению распространения;

в 120 лг - волновой импеданс средь)

, „ 35выражениях (7) учтено, что значение

/j .j о У Ег+45° УЕ 0 , так как из формулы (1) слемд Дует, что

t. Ј + j 60 ACT - комплексная диэлектрическая проницаемость почвы;1 бОАа

е,а - диэлектрическая проницаемость .- УЕб - УЕг 2 arctg-- - 45 и проводимость почвы;

Я - длина волны;с большой точностью (для границ диапазона

j - мнимая единица.бОАгг

Из зависимости (1) следует ОНЧ-НЧ 1/2 arctg - 44,52° -, -45 44,99995°).

Таким образом, напряжения UeCt) и Ur(t) jj/r-jнаходятся в фазе. Раскроем правые части

-т- 0 ; формул (7).

(60А)2 (60А)2 Г1 1

. .-50 o Јrw |4cos w 2ree);

где Erm.E em - амплитуды компонент Ег и.

Ее- з & - fl-lcosr t r lJ (8)

В диапазонах ОНЧ-НЧ (А 10 ...Юэм)Это косинусоиды удвоенной частоты,

для проницаемости и проводимости величи-сдвинутые на постоянное значение своей

на второго отношения под знаком радикалаg амплитуды. При подаче напряжений UB(t) и

в формуле (5) составляет 3.10..2.10 отUr{t) на вертикальные и горизонтальные отпервого. Поэтому с большой точностью де-клоняющие пластины ЭЛТ котангенс угла

сятые-миллионные доли процента значение отклонения светящейся линии луча от верпроводимости может быть оценено соглас-тикали окажется равным

независимостиctg3E UB(t)/Ur(t)E2rm/60 A E2em

компоненты полей, перпендикулярные на-.,., л., , . ел 1

правлению распространения;возведенный в квадрат и усиленный в 60 А

т.е. согласно формуле (6) ctg 3Ј о и он равен проводимости почвы.

Напряжение UB(t)U(t) формируется с помощью датчика 1 резонансного усилителя 5, фазовращателя 9, квадратора 13.

Для формирования сигнала Ur(t), пропорционального продольной компоненте E0(t) в условиях неопределенности направления на излучатель предназначены узлы 2-4.6-8.10-12. 14-16. Сигнал

Ur(t). Eg2 (t) мируется согласно выр Eg2 W-ExVEy tJ-VW

так как горизонтальные компоненты Ex(t).Ey(t) и Ё0 (t), E (t) являются координатами одного и того же горизонтального вектора напряженности электрического поля. Если в последнее выражение подставить формулу (2). получаем окончательную зависимость для определения компоненты Е0 (t) в условиях неизвестного направления на излучатель:

(t) Ex2(t)+Ey2(t)- 02Hr2(t). (9)

Сигнал (9) формируется посредством выделения компонент Ex(t), Ey(t), Hr{t) дополнительными датчиками 3.4 и датчиком 2 измеряемого сигнала, резонансного усиления в усилителях 7, 8 и 6, усиления с коэффициентом /3 компоненты Hr(t) в первом масштабном усилителе 10, квадратичного усиления в квадраторах 11, 12 и 14. Суммирование сигналов Ex (t) и E2y(t) и вычитание сигнала /32Hr2(t) из суммы осуществляется в сумматоре 15 и блоке 16 вычитания. Наконец, умножение Полученного сигнала Е 0 (t) на значение 60 А (может быть также 600 Я и 6000 А в зависимости от диапазона измеряемого значения (t ) осуществляется в масштабном усилителе 17. Таким образом, на горизонтальные пластины ЭЛТ подается сигнал, пропорциональный 60-A 2« (t) и показание измерителя 18 действительно равно проводимости почвы о,

И случае, когда дополнительные датчики 3, 4 выполнены в виде вертикальных рамочных антенн, измеритель работает аналогичным образом. При этом, проводимость оценивается по отношению

О Нит/бО A Hrm2,

а оно в свою очередь по тангенсу угла отклонения зе светящейся линии на ЭЛТ, при по- даче на отклоняющие пластины ЭЛТ напряжений:

Ueio tj cos&t+ -bs) |

u(i)

(Ю)

Указанные напряжения формируются аналогичным образом. В частности, сигнал, пропорциональный Ur(t), формируется согласно зависимости

Hfl2 (t)Hx2(t)+ Hy2(t)- ft Er2(t),

вытекающей из зависимости (4). Формула изобретения 1. Измеритель проводимости земной

поверхности, включающий каналы формирования опорного и измеряемого сигналов, один из которых содержит последовательно соединенный датчик типа штыревой антенны, расположенной вертикально, и резонансный усилитель, а второй - последовательно соединенные приемный датчик типа рамочной антенны, расположенной горизонтально, и резонансный усилитель, а также блок вычитания и индикатор, к двумя входам которого подключены выходы каналов формирования опорного и измеряемого сигнала, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и оперативности измерений, в канале формирования опорного

сигнала к выходу резонансного усилителя под ключе ньГгюс л едовател ь но соеди нен ные фазовращатель1 и первый квадратор, выход которого служит выходом канала формирования опорного сигнала, в канал формирования измеряемого сигнала введены первый масштабный усилитель, вход которого соединен с выходом резонансного усилителя этого канала, второй квадратор, вход которого подключен к выходу первого масштабного усилителя, а выход - к первому входу блока вычитания, второй масштабный усилитель, вход которого соединен с выходом блока вычитания, а также два дополнительных взаимно ортогональных приемных

датчика, однотипных с приемным датчиком канала формирования опорного сигнала и расположенных в плоскости, перпендикулярной к плоскости расположения этого датчика, два дополнительных резонансны усилителя, входы которых соединены с выходами дополнительных датчиков, а выходы - соответственно с входами третьего и четвертого квадраторов, выходы квадраторов соединены с двумя

входами сумматора, выход которого подключен к второму входу блока вычитания, причем выход второго масштабного усилителя служит выходом канала формирования измеряемого сигнала.

0

фиксированным фазовым сдвигом, равным +45°

3 Измеритель поп 1.отличающий- с я тем, что дополнительные приемные датчики выполнены в виде вертикальных рамочных антенн, первый масштабный усилитель выполнен с коэффициентом усиления, равным 1/120 п , а фазовращатель - с фиксированным фазовым сдвигом, равным -45°.